土壓平衡盾構(gòu)下穿湘江西岸堤壩施工風(fēng)險(xiǎn)分析與控制措施

黃昌洋，苗憲強(qiáng)，褚東升，陽(yáng)軍生

(1.中鐵五局集團(tuán)第一工程有限責(zé)任公司，湖南長(zhǎng)沙 410117;2.中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410075)

1 工程概況

盾構(gòu)隧道穿越堤壩施工時(shí)，上覆土厚度變化大并受高水壓影響，施工風(fēng)險(xiǎn)較高，確保堤壩的安全至關(guān)重要。

長(zhǎng)沙地鐵2號(hào)線溁—橘區(qū)間起始于溁灣鎮(zhèn)站，在橘子洲大橋西引橋南側(cè)30m位置穿入湘江，過(guò)湘江西汊后進(jìn)入橘子洲站［1］。區(qū)間線路起訖里程為DK4+450.900—DK5+444.000，隧道于 DK4+965—DK5+015段穿越湘江西岸防洪堤壩，穿越段長(zhǎng)約50m，見(jiàn)圖1。

湘江西岸防洪堤壩由擋浪墻、擋土墻、抗滑樁等結(jié)構(gòu)組成。盾構(gòu)外徑為6 m，縱向坡度為-3.5%，隧道依次下穿瀟湘中路、沿江人行道、防洪堤壩、河床等，下穿構(gòu)筑物的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，盾構(gòu)隧道縱向坡度和覆土厚度變化較大。

穿越堤壩段隧道埋深為9～20m，洞身位于強(qiáng)風(fēng)化板巖地層，下穿湘江大堤的DK4+975典型斷面如圖2所示。

2 施工風(fēng)險(xiǎn)分析與控制措施

作為第一條穿越湘江的盾構(gòu)隧道，長(zhǎng)沙地鐵2號(hào)線湘江隧道地質(zhì)條件和環(huán)境條件復(fù)雜。特別是盾構(gòu)穿越防洪堤壩，風(fēng)險(xiǎn)源眾多，盾構(gòu)施工主要風(fēng)險(xiǎn)源為復(fù)雜的地質(zhì)條件、堤壩結(jié)構(gòu)、盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)、施工組織與管理。

圖1 隧道下穿湘江西岸堤壩段位置示意

圖2DK4+975斷面(單位:m)

2.1 風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)與分析

1)復(fù)雜地質(zhì)條件及不利環(huán)境

復(fù)雜地質(zhì)條件對(duì)盾構(gòu)下穿堤壩產(chǎn)生的不利影響表現(xiàn)在:①地層從上往下分別為細(xì)沙、卵石、全風(fēng)化板巖、強(qiáng)風(fēng)化板巖，江邊地下水位相對(duì)較高，地層透水性強(qiáng)，盾構(gòu)掌子面易受地下水滲流影響，穩(wěn)定性降低，該地層中掌子面失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)較大;②板巖經(jīng)一定程度的風(fēng)化，地層存在軟硬不均;③風(fēng)化板巖黏粒較多，易附著在刀盤(pán)上，形成泥餅，影響盾構(gòu)掘進(jìn)。

另外還有其它偶然不利因素等風(fēng)險(xiǎn)源:①持續(xù)降雨。盾構(gòu)穿越堤壩若遇持續(xù)降雨，會(huì)對(duì)堤壩結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。雨水滲入大堤表層土體，增加了土體重度，降低了土體內(nèi)黏聚力，易使坡面產(chǎn)生滑動(dòng)。同時(shí)，由于盾構(gòu)施工引起堤壩土體沉降，土體內(nèi)部有裂隙產(chǎn)生，雨水沿裂隙滲入，會(huì)加速裂隙的貫通，易在坡面土體內(nèi)部產(chǎn)生潛在的滑動(dòng)面。②江河汛期。江河汛期時(shí)，江河水位升高，進(jìn)而引起岸邊地下水位升高，會(huì)加大隧道開(kāi)挖面水土壓力，降低大堤及下臥土體的黏聚力，加大堤壩土體重度的同時(shí)降低其抗剪強(qiáng)度［2］;而且，江(河)水直接作用于堤壩迎水坡面時(shí)，在堤壩內(nèi)部產(chǎn)生滲透力，降低堤壩坡面抗滑能力的同時(shí)增大其下滑力。

2)堤壩結(jié)構(gòu)

堤防結(jié)構(gòu)影響:湘江西岸堤壩為碾壓式土石堤壩，結(jié)構(gòu)剛度較小，整體性差，局部土體位移之后易引起鄰近土體的位移，特別是坡面上土體發(fā)生較大位移時(shí)，會(huì)帶動(dòng)坡面上部土體移動(dòng)，甚至?xí)谄旅嫘纬苫瑒?dòng)面，引發(fā)坡面土體的整體滑動(dòng)，盾構(gòu)下穿風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較大。

3)盾構(gòu)參數(shù)

盾構(gòu)參數(shù)的影響體現(xiàn)在:

①刀盤(pán)掘進(jìn)參數(shù)。盾構(gòu)刀盤(pán)掘進(jìn)參數(shù)的控制效果將直接影響掌子面的穩(wěn)定。掘進(jìn)參數(shù)偏小時(shí)，不足以平衡開(kāi)挖面水土壓力，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致掌子面失穩(wěn)，地層變形過(guò)大，進(jìn)而危及上部堤壩結(jié)構(gòu)安全;掘進(jìn)參數(shù)過(guò)大時(shí)，對(duì)掌子面擠壓過(guò)量，引起掌子面前方地表隆起，從而引起堤壩變形過(guò)大而開(kāi)裂。

盾構(gòu)穿越堤壩之前，地表較為平坦，開(kāi)挖面水土壓力的計(jì)算自刀盤(pán)位置地表算起即可。隨著刀盤(pán)逐漸靠近堤壩，堤壩對(duì)土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的選擇會(huì)有影響，設(shè)定時(shí)應(yīng)將堤壩荷載考慮在內(nèi)［3-4］。

②掘進(jìn)速度。掘進(jìn)速度應(yīng)處于合理范圍之內(nèi)，如果掘進(jìn)速度太快，盾尾同步注漿區(qū)還不具備承載能力，將會(huì)引起堤壩沉降過(guò)大。若掘進(jìn)速度太慢，盾構(gòu)機(jī)自重對(duì)隧道下臥層施壓過(guò)量，會(huì)引起過(guò)量的堤壩沉降。因此，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工及監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，及時(shí)合理地調(diào)整掘進(jìn)速度。

③同步注漿參數(shù):同步注漿不及時(shí)或參數(shù)控制不當(dāng)時(shí)，可引起地層變形過(guò)大，引起堤壩開(kāi)裂。盾構(gòu)隧道施工時(shí)，及時(shí)充分有效的同步注漿，是控制盾尾沉降的關(guān)鍵。

④盾構(gòu)姿態(tài)控制:當(dāng)盾構(gòu)姿態(tài)控制不好時(shí)，會(huì)引起管片的受力不均，甚至局部受拉引起破損;同時(shí)，還可能引起超挖及增加施工擾動(dòng)次數(shù)。

⑤機(jī)械故障:盾構(gòu)發(fā)生機(jī)械故障時(shí)，會(huì)引起掘進(jìn)參數(shù)的急劇變化，引起盾構(gòu)較長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)。施工中應(yīng)盡量避免，尤其是在下穿類(lèi)似防洪堤壩等重要建(構(gòu))筑物時(shí)。

4)施工組織與管理

盾構(gòu)施工過(guò)程中，機(jī)組人員的操作熟練程度以及施工經(jīng)驗(yàn)，對(duì)隧道建設(shè)質(zhì)量和施工安全也會(huì)產(chǎn)生顯著影響。機(jī)組人員的業(yè)務(wù)不精、決策失誤或者操作不當(dāng)，都是盾構(gòu)穿越堤壩的風(fēng)險(xiǎn)源。

綜上可知，盾構(gòu)下穿堤壩風(fēng)險(xiǎn)源眾多，施工難度大。堤壩的風(fēng)險(xiǎn)事件主要為堤壩變形過(guò)大，包括沉降、隆起，從而引起開(kāi)裂甚至滑塌。因此，為確保堤壩安全必須采取相應(yīng)的控制措施。

2.2 風(fēng)險(xiǎn)控制措施

1)針對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件及不利環(huán)境的應(yīng)對(duì)措施主要有:①根據(jù)地層條件，選取合適的掘進(jìn)參數(shù)、刀盤(pán)開(kāi)口率、合適的膨潤(rùn)土等添加材料的比例，盡量減少泥餅的形成，形成后采取有效措施及時(shí)進(jìn)行清理;②避免在雨量大的季節(jié)和汛期進(jìn)行盾構(gòu)下穿堤壩，避免不了時(shí)，可以加強(qiáng)地面排水，或者在堤壩表面施作隔水措施等。

2)針對(duì)堤壩結(jié)構(gòu)不利于抗變形的特點(diǎn)，對(duì)施工進(jìn)行控制，避免不均勻沉降，減小盾構(gòu)下穿引起的地層變形。

3)針對(duì)掘進(jìn)參數(shù)等風(fēng)險(xiǎn)源，提出的控制措施主要有:①設(shè)置刀盤(pán)軸力及扭矩等掘進(jìn)參數(shù)時(shí)，應(yīng)考慮堤壩超載的影響;②掘進(jìn)速度的選定必須合理，不能盲目求快;③良好的同步注漿，不僅可減小施工期間地層變形，還有利于管片受力，減小管片的上浮;④施工中一旦發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)偏移或“磕頭”、“抬頭”過(guò)大，應(yīng)調(diào)整千斤頂去糾偏，同時(shí)加強(qiáng)同步注漿管理。因此，施工中應(yīng)從注漿孔的布置、注漿壓力、注漿材料的選擇與配置等方面進(jìn)行選擇，并不斷優(yōu)化，保證漿液快速適量填充，同時(shí)提高漿液質(zhì)量，確保填充均勻。

4)針對(duì)施工組織與管理風(fēng)險(xiǎn)源，配備經(jīng)驗(yàn)豐富的操作人員和工程師，最大限度地避免由于人員因素帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。

同時(shí)做好以下措施:①在盾構(gòu)穿越堤防前，應(yīng)對(duì)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行全面檢修，并加強(qiáng)設(shè)備保養(yǎng)，最大限度地避免盾構(gòu)過(guò)堤期間出現(xiàn)設(shè)備故障;②加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，加大監(jiān)測(cè)頻率，確保監(jiān)測(cè)的精準(zhǔn)，并及時(shí)反饋，以便獲得堤壩的地層響應(yīng)特點(diǎn)，為盾構(gòu)參數(shù)調(diào)整提供依據(jù);③建立合理的控制標(biāo)準(zhǔn);④做好應(yīng)急準(zhǔn)備，如監(jiān)測(cè)到大堤沉降過(guò)大時(shí)，可采取地面灌漿、隧道內(nèi)部二次注漿等措施。

3 實(shí)施效果

3.1 工期選擇

長(zhǎng)沙地鐵2號(hào)線溁灣鎮(zhèn)站—橘子洲站區(qū)間左線于2011年12月14日—23日、右線于2012年1月 9日—15日下穿湘江西岸堤壩段，施工期間正值枯水季，湘江西汊河床幾近干涸。選擇枯水季節(jié)施工，可以避免降雨及河流汛期給下穿大堤施工帶來(lái)堤壩坡面破裂、堤壩土體強(qiáng)度降低等風(fēng)險(xiǎn)。

下穿堤壩段施工盾構(gòu)機(jī)采用土壓平衡模式掘進(jìn)，嚴(yán)格控制掘進(jìn)速度，及時(shí)調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工情況進(jìn)行全方位監(jiān)測(cè)與記錄，全程跟蹤下穿堤壩段盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程。

3.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果與分析

湘江西岸堤壩段左線的土艙壓力監(jiān)測(cè)時(shí)程曲線如圖3［5］。堤壩段土艙壓力值是不斷變化的，且與堤壩段地形變化保持一致。穿越瀟湘中路段地表較為平坦，土艙壓力波動(dòng)較小，基本保持在0.14 MPa左右，較為穩(wěn)定。隧道進(jìn)入沿江人行道段后，地表抬高1.5m，土艙壓力也存在突增現(xiàn)象，增大至0.16 MPa左右。在沿江人行道與湘江河床西岸邊坡交界段，地表高程突然降低3 m左右，埋深突變，致使該段土艙壓力波動(dòng)較大，調(diào)整穩(wěn)定后，土艙壓力基本維持在0.11 MPa左右［5］。

圖3 堤壩段左線土艙壓力變化時(shí)程曲線

掘進(jìn)中除土艙壓力外，其他掘進(jìn)參數(shù)如總推力、刀盤(pán)扭矩、掘進(jìn)速度、同步注漿量、出土量等也在不斷調(diào)整中，以適應(yīng)堤壩段復(fù)雜的地質(zhì)、地形條件和堤壩結(jié)構(gòu)。

堤壩段掘進(jìn)過(guò)程中，對(duì)堤壩結(jié)構(gòu)的地表隆沉變形值也進(jìn)行了全程監(jiān)測(cè)，堤壩段監(jiān)測(cè)點(diǎn)的累計(jì)沉降量在7 mm以?xún)?nèi)，對(duì)堤壩結(jié)構(gòu)影響小。湘江大堤處典型橫斷面地表隆沉變化曲線如圖4所示。

圖4 典型橫斷面地表隆沉變化曲線

盾構(gòu)下穿堤壩段施工過(guò)程中，避開(kāi)了汛期對(duì)堤壩結(jié)構(gòu)和盾構(gòu)施工的影響，且采取及時(shí)調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)、加強(qiáng)施工管理等控制措施，有效地保證了堤壩段的順利掘進(jìn)和堤壩結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固。2012年1月15日，右線盾構(gòu)順利下穿湘江大堤?，F(xiàn)場(chǎng)施工情況證明，盾構(gòu)下穿湘江西岸堤壩段施工是安全的。

4 結(jié)論

1)從地質(zhì)條件、堤壩結(jié)構(gòu)、盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)控制和施工組織與管理等方面對(duì)盾構(gòu)下穿湘江大堤的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分析，并提出了相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)控制措施。

2)盾構(gòu)臨近堤壩時(shí)，必須對(duì)掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以應(yīng)對(duì)堤壩超載引起的隧道掌子面水土壓力變化，掘進(jìn)參數(shù)主要應(yīng)從刀盤(pán)軸力、扭矩、盾構(gòu)姿態(tài)調(diào)整，同步注漿量及漿液質(zhì)量等方面進(jìn)行調(diào)整。

3)通過(guò)對(duì)橫向及縱向地表沉降的監(jiān)測(cè)與分析，堤壩段監(jiān)測(cè)點(diǎn)的累計(jì)沉降量在7 mm以?xún)?nèi)，對(duì)堤壩結(jié)構(gòu)影響較小。現(xiàn)場(chǎng)施工情況證明該風(fēng)險(xiǎn)控制措施切實(shí)可行，可供同類(lèi)工程參考。

［1］中國(guó)中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司.長(zhǎng)沙市軌道交通2號(hào)線一期工程溁灣鎮(zhèn)站～橘子洲站區(qū)間施工圖設(shè)計(jì)［R］.成都:中國(guó)中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，2010.

［2］夏懿，于瑞東，王新旗，等.越江隧道工程穿越防汛墻對(duì)防汛墻安全影響及對(duì)策探討［J］.上海水務(wù)，2008，24(4):40-45.

［3］吳世明，林存剛，張忠苗，等.泥水盾構(gòu)下穿堤防的風(fēng)險(xiǎn)分析及控制研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2011，30(5):1034-1042.

［4］李海.盾構(gòu)隧道下穿建筑物控制技術(shù)和監(jiān)測(cè)［J］.鐵道建筑，2011(9):66-68.

［5］褚東升.長(zhǎng)沙地鐵下穿湘江土壓平衡盾構(gòu)隧道掘進(jìn)參數(shù)研究［D］.長(zhǎng)沙:中南大學(xué)，2012.